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基于AVR型单片机智能双电源开关的研制

作者:admin来源:本网 日期:2017/11/20 11:32:18 人气: 标签:

  在大型企业和一些特殊单位,为了提高重要负荷的供电连续性,一般采用两路电源热备用方式供电。当电力系统供电电源出现故障时,一般的做法是通过人工切换到备用电源供电。为节省人力,提高切换工作的准确性、快速性和可靠性,需要一种自动切换装置,在常用电源发生故障时,能及时地自动:200504―3方向为电力电子与电力传动。将用户电路切换到备用电源供电,以保证正常、持续的供电。当常用电源恢复正常时,该自动切换装置能够将用户电路切换回常用电路。

  该装置的硬件电路由电压采集电路、单片机及其外围电路、LED显示电路、按钮电路和常用备用切换控制这些功能单元组成。由于考虑到设备的性能、可靠性和经济性等因素,本文选择单片机及软件来进行对信号的采样和判断。工作原理为:利用整流电路和线性的光耦电路对电源电压信号进行变换,使该电路的输出电压和电源电压成比例变化,并将信号送到单片机的ADC口进行采样。单片机把ADC口采集到的电压信号与电压信号正常状态的标准值进行比较,依据得到的结果进行相应的开关切换控制。

  1硬件的设计1.1单片机与外围电路工作原理为了提高智能双电源开关控制器的快速性和可靠性,本文选用AVR型单片机ATmega16作为控制器的控制芯片。该芯片是一款基于AVRRISC的低功耗8位单片机。它具有下列特点:通过在一个时钟周期内执行一条指令,ATmega16可以取得接近1MIPSMHz的性能。内含硬件乘法器,支持TAG端口仿真和编程,仿真效果比传统仿真更真实有效。8通道10位AD转换器,2个8位定时计数器,1个16位定时计数器,带捕捉、比较功能,有四个通道的PWM.硬件USARTSPI和基于字节处理的fC接口杰出的电气性能,超强的抗干扰能力。每个D口可负载40mA的电流,总电流不超过200mA.带独立振荡器的看门狗,看门狗溢出时间分8级可调。内置上电复位电路和可编程低电压检测(BDD)复位电路。

  以该单片机为核心的控制系统组成框图如所示。

  硬件电路原理框图在该系统中,首先进入自动模式,单片机对常用和备用电源的A、B和ab相进行是否缺相的判断,再根据A相和a相波头到达的时间定位三相整流的波头,以进行常用电源和备用电源的三相电压整流后的信号检测。当检测到电压出现偏差(欠电压、过电压、缺相)时,经过合闸或分闸延时后,单片机根据常备断路器的辅助信号来决定是否驱动相应的指令继电器向电动操作机构发出分闸、合闸和脱扣指令,并将电压的错误类型用发光二极管LED在显示板上显示,同时输出报警信号通知人员进行电源的修理。面板上的四个按钮开关接口可以设定四种工作模式:自动控制“、”常用电源“、”备用电源“、”断电“。通过按下自动控制按钮进入手动控制状态,其中”常用电源“、”备用电源“、”断电“为手动控制下人工可选择的按钮。再次按下自动控制按钮则返回到自动控制状态。预定值模拟量(分闸延时时间、合闸延时时间、欠压动作值)可以通过面板上相应的电位器进行调节。

  12电压输入信号调理电路将常用和备用三相电压接入控制器,经过压敏电阻滤波和二极管整流后通过光耦隔离转化为适合单片机米样的弱电信号,再输入单片机的ADC口。为了保证送入ADC口的信号能与输入电压信号保持一定的线性关系,我们用两个普通光耦TLP521结成线性光耦,来保证了两者之间的线性,从而使输口的信号能够准确反映电源电压的变化情况,其常用电源的电路图如所示。

  在利用光电耦合器的线性耦合直接对模拟信号进行隔离传输时,由于光电耦合器内部发光二极管和光敏三极管的伏安特性,使得光电耦合器的线性区实际上比较小并且存在一定程度的非线性失真。所以在实际电路中,我们选择了适当电路参数,根据这些参数,计算出三相电压经整流后,其电压在范围为270V到311V内波动,则输入到光耦的输入端的电流范围约在18mA到2mA之间。根据普通光耦TLP521的电流输出特性,此范围的输入电流可以使光耦器件工作在线性区。为了改善光电耦合器的线性区实际上存在一定程度的非线性失真,在本电路中使用了2个普通光耦和1个运算放大器,2个光耦一个用于输出,一个用于反馈。将信号通过一个光耦后连到运放的反相输入端,输出端接另一个光耦后再返回到运放的反相输入,这样形成一个负反馈,就能补偿发光二极管时间和温度特性的非线性,保证信号经光耦隔离之后与原电压信号成线性输出。其波形图如所示。并且可以通过调节可调电阻的大小,来调整隔离后电压模拟量值的范围。一般情况下,我们设定电压值在2~4V范围内看门狗就立刻复位MCU状态寄存器,程序从地址开始重新执行,以提高该系统的抗干扰性能。

  软件在CCAVRV7编译软件中用C语言进行编属于正常。

  写,使用TAGICE仿真器配合AVRSudio4软件进行仿真调试,主程序流程图如所示。自动控制转手动控制子程序流程图如所示。

  开关切换自动控制软件流程2软件的设计程序开始时,先进行系统的初始化,再对预定值的模拟量进行AD转换,把分闸延时时间、合闸延时时间、欠压动作值输入到单片机。

  在判断电源是否异常之前,先要对三相整流后的模拟信号A、B、ab的波头进行识别。因此,把常用A、B和备用ab的电信号通过光耦隔离输入到数据选择器。单片机软件通过设置定时器T,来捕获数据选择器输出端信号的正跳变,从而确定了三相波头中A相到达的时间。由于三相整流AC相电压在角度为n/S时换相,所以在工频条件下,监测到电压信号的正跳变时延时约1 66ms开始进行ADC采样。为了提高精确度,每个波头采样58次,每相电压值采样完成之后,计算出其平均值,再根据平均值与有效值之间的关系得出各相电压的有效值。其换算公式为:U平均值U有效值将得到有效值与预先设定的过压和欠压基准有效值相比较,从而判断该相是否欠压或是过压。单片机根据判断得出的结果控制LED灯的变化和控制开关的切换。电源电压异常时,各相电压的LED指示灯的闪烁。某相过压时则该相指示灯以5Hz闪烁;欠压时以10Hz闪烁;缺相时灯灭;正常时灯亮。

  在程序中,用软件设定定时器T中断、定时器1输入捕捉中断、ADC中断、外部中断0和看门狗定时器复位中断。其中定时器T中断程序用来实现对LED闪烁频率的控制;定时器T,输入捕捉中断用来准确定位A相波头到达的时间;ADC中断程序用来进行对信号模拟量的采样;外部中断0程序用来进行自动控制和手动控制的转换;看门狗定时器用来监视程序的运行,一旦程序“跑飞”或出错,3可靠性分析在硬件设计上,把强电信号与弱电信号通过光耦进行隔离,避免三相电流波动过大而引起的电磁干扰。在输出控制信号时,由于使用继电器来控制动作,继电器上的线圈会对单片机的信号产生干扰,我们选择输出锁存器来锁存信号,降低干扰度。

  软件设计上,对外界输入信号实行多次检测,以防止一些干扰量的输入。在进行采样的时候,首先进行软件的数值滤波,再进行有效值的计算,来判断各相电压的状态,尽量避免误动作的发生。

  可以达到1另外还有国际整流公司的IRE51XX系列是基于单周期控制原理,不需要采集输入电压,外围电路简单。

  而怎样提高功率因数校正器的动态响应是当前摆在我们面前的一个难题。

  22单级功率因数校正技术的发展趋势在20世纪90年代初提出了单级功率因数校正器,主要是将PFC级和DCDC变换级集成在一起,两级共用开关管。它与传统的两级电路相比省掉了MOSFET增加了二极管。另外其控制采用一般的PWM控制方式,所以相对简单。但是单级功率校正存在一个非常严重的问题:当负载变轻时,由于输出能量迅速减小,但占空比瞬时不变,输入能量不变,使得输入功率大于输出功率,中间储能电容电压升高,此时占空比减小以保持DCDC级输出稳定,最终达到一个新的平衡状态。这样中间储能电容的耐压值需要很高,甚至达到1 000V当负载变重时,情况相反,怎样降低储能电容上的电压是现在单级功率因数校正研究的热点。

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